Pomiary sprawności paneli fotowoltaicznych

Rozwiązaniem było zastosowanie systemów akwizycji danych CompactDAQ i oprogramowania LabVIEW firmy National Instruments. Stworzono działania nim system monitorowania pracy paneli fotowoltaicznych, który pozwala na pracę w czasie rzeczywistym na linii fabrycznej, przechowuje zebrane wyniki pomiarów w plikach tekstowych i pozwala na dostęp do danych historycznych zapisanych w bazie.

OGNIWA FOTOWOLTAICZNE NA ŚWIECIE

Fot. 1. System NI CompactDAQ zamontowany na zewnątrz budynku i gotowy do pracy

Technologia paneli fotowoltaicznych zyskuje na popularności zarówno w przemyśle, jak i w sektorze prywatnym. Istnieje wiele powodów, które uzasadniają zakup tego typu paneli. Do takich należą regulacje prawne, takie jak np. krajowe limity emisji dwutlenku węgla, lub moda na ekologię w inżynierii.

Korzystanie z tego typu źródeł energii nie powoduje bowiem emisji szkodliwych substancji do środowiska, co odróżnia je np. od elektrowni węglowych, które emitują duże ilości dwutlenku węgla, siarki i azotu do atmosfery. Zgodnie ze statystykami podawanymi przez Europejskie Stowarzyszenie Przemysłu Foto woltaicznego ilość energii wytwarzanej przez podłączone do sieci elektrycznej ogniwa fotowoltaiczne wzrosła na świecie w 2011 roku o ponad 66%, do wartości 27,7 GW (rok wcześniej było to 16,6 GW).

Szacuje się, że w samej Europie zainstalowana moc ogniw wynosi 21 GW. Firma Bauer Solar Production jest producentem markowych paneli słonecznych stosowanych w aplikacjach przemysłowych i komercyjnych. Niedawno otworzyła nową fabrykę w Dąbrowie Górniczej, w której produkuje różnego rodzaju panele słoneczne, wliczając w to zarówno ogniwa monokrystaliczne, jak i polikrystaliczne.

Aby lepiej spełniać potrzeby klientów, konieczne było określenie, w jakich warunkach pogodowych najlepiej sprawdzają się wybrane typy paneli.

ZAŁOŻENIA PROJEKTOWE I WYKONANIE APLIKACJI

Fot. 2. Panele słoneczne i stacja pogodowa podłączone do systemu NI CompactDAQ

Poprzedni system monitorowania pracy ogniw stosowany przez Bauer Solar Production bazował na sprzęcie i oprogramowaniu firmy SolarLog. Okazał się jednak być niewystarczająco elastyczny, aby można go było dostosować do prowadzenia bardziej zaawansowanych pomiarów. Dlatego, decydując się na zamówienie nowego systemu pomiarowego, firma Bauer Solar Production wskazała wśród wymaganych cech kilka kluczowych:

• system powinien umożliwiać rejestrację wyników pomiarów w bazie danych Firebird,
• powinien umożliwiać analizę danych online i offline,
• powinno się go móc podłączyć do obecnego systemu akwizycji danych (Lean-QS).

Wykonawca nowego systemu, firma Lean-Soft , zdecydował się na zastosowanie 8-slotowej obudowy NI cDAQ-9188, ponieważ stanowiła ona proste rozwiązanie umożliwiające podłączenie gotowego zestawu do fabrycznej sieci bazującej na Ethernecie i nie wymagała instalacji dodatkowych komputerów nadzorujących w pobliżu stacji testów pogodowych.

Całe urządzenie miało zostać zamontowane w specjalnej obudowie (szafce) umieszczonej na dachu budynku, w związku z czym konieczne było użycie komponentów, które byłyby odporne na trudne warunki środowiskowe i mogłyby pracować zarówno podczas mroźnych zim, jak i w trakcie gorącego lata. Firma Bauer Solar Production potrzebowała też systemu monitorującego, który mierzyłby następujące parametry środowiskowe i elektryczne:

• temperaturę zewnętrzną,
• wilgotność,
• ciśnienie powietrza,
• prędkość i kierunek wiatru,
• napięcie wyjściowe paneli słonecznych,
• prąd wyjściowy paneli słonecznych,
• natężenie światła słonecznego.

Rys. 1. Architektura systemu

W celu dokonywania pomiarów warunków atmosferycznych otoczenia zastosowano stację pogodową Delta Ohm. Pozwoliło to uniknąć konieczności kupowania i montowania wszelkich dodatkowych czujników. Oprogramowanie systemu zostało stworzone w LabVIEW z wykorzystaniem sterowników NI-DAQmx i w oparciu o architekturę maszyny stanów.

Bardzo pomocne okazały się liczne przykłady aplikacji dostępne w Internecie jak i w narzędziu LabVIEW Example Finder oraz szybkie wsparcie techniczne ze strony pracowników National Instruments. Mierzone parametry są wyświetlane w postaci wykresów na panelu frontowym, co pozwala na dostęp do wszystkich potrzebnych danych w czasie rzeczywistym.

Informacje te są też gromadzone w plikach tekstowych - nowy plik tworzony jest co 24 godziny. Ponadto są one zapisywane do relacyjnej bazy danych Firebird, dostępnej na zasadach open-source. Łączność z bazą odbywa się za pomocą narzędzia LabVIEW Database Connectivity Toolkit. Dane gromadzone w plikach tekstowych są pomocne przy analizowaniu zmian wydajności paneli słonecznych, przy użyciu oprogramowania, takiego jak np. Microsoft Excel.

Dostęp do danych historycznych jest bardzo ważny, gdyż umożliwia badanie wpływu zmian warunków atmosferycznych, takich jak natężenie promieniowania słonecznego i zachmurzenia w poszczególnych porach roku na ilość generowanej energii. Dodatkowo dane te umożliwiają stworzenie modelu starzenia się paneli słonecznych i wpływu zabrudzeń na ich pracę.

PLANY NA PRZYSZŁOŚĆ

Fot. 3. Panel słoneczny i system NI CompactDAQ w laboratorium

Producent paneli ma zamiar w przyszłości wykonywać dodatkowe pomiary ogniw z zastosowaniem różnych obciążeń podłączonych do testowanych modułów. W pierwszej kolejności badania będą dotyczyły obciążeń czysto rezystancyjnych, przykładowo konkretnych pomp wody pobierających 8 A prądu przy napięciu z zakresu od 23 do 30 V.

Ponadto w planach jest stworzenie systemu podobnego do tego służącego do pomiarów pracy paneli słonecznych, służącego do badania warunków panujących w hali fabrycznej. Pomiary stężeń szkodliwych gazów i jakości powietrza w budynku pozwolą producentowi zapewniać zgodność z określonymi przepisami unijnymi w zakresie bezpieczeństwa.

KORZYŚCI PŁYNĄCE Z UŻYCIA PLATFORMY NI

Zastosowanie sprzętu do akwizycji danych wyprodukowanego przez National Instruments bardzo ułatwiło konstrukcję systemu monitorowania paneli słonecznych. Dzięki możliwości jednoczesnego wyświetlania mierzonych wartości oraz zapisywania i analizy danych historycznych stworzone rozwiązanie jest elastyczne, łatwe w użytkowaniu i proste do rozbudowy w przyszłości.

Sławomir Suski
Lean-Soft
National Instruments Poland Sp. z o.o.
poland.ni.com